[分享]切削加工中陶瓷刀具的磨損與潤滑 [復(fù)制鏈接]

山東大學(xué) 鄧建新 艾興 MhsG9q_%  
L`!sV-.  
1．引言 -(2-zznZ  
nYe}d!  
陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于難加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生產(chǎn)率。近三十年來，由于在陶瓷刀具制造工藝中實(shí)現(xiàn)了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發(fā)了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術(shù)，以及采用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制等，使陶瓷刀具的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能等都有了較大提高。但陶瓷刀具并不是萬能的。陶瓷刀具在切削加工過程中要承受高溫、高壓作用，不可避免地要受到不同程度的磨損或破損。已有的研究表明，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時其磨損形態(tài)和刀具壽命會有很大不同，因此存在陶瓷刀具與切削對象的最佳匹配問題。對于這方面的研究國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道，但因?qū)嶒?yàn)條件和研究方法各異，不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究結(jié)論也存在差異。 jlB3BwG{w  
f8j^a?d|
  
本文在作者已有的研究基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對陶瓷刀具切削加工時的磨損、潤滑以及陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題進(jìn)行了綜合評述，以期對新型陶瓷刀具材料的研制與開發(fā)、實(shí)際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導(dǎo)和參考作用。 0TNzVsu7  
E,X,RM~ +D  
2．陶瓷刀具切削加工時的磨損機(jī)理 <Du*Re6g  
3ZVfZf  
在陶瓷刀具切削加工過程中，始終存在兩個摩擦副，即前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與工件間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損和已加工表面質(zhì)量，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。陶瓷刀具主要用于高速切削場合，切削溫度�？筛哌_(dá)800～1000℃（甚至更高），切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機(jī)制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散磨損、氧化磨損等。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)。不同的陶瓷刀具材料在不同切削條件下加工不同的工件材料時，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制可能有所不同。如在低速切削時，由于切削溫度較低，其磨損機(jī)理往往表現(xiàn)為磨粒磨損；而在高速切削時，則以高溫引起的粘著磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。 RS1oPY  
J0oR]eT}  
作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在連續(xù)切削鋼件時，其磨損機(jī)理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損，而在切削鑄鐵時主要為磨料磨損。Wayne 和Brandt 等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718材料得出結(jié)論：在低速切削條件下，磨料磨損和粘結(jié)磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制；而在高速切削條件下，粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機(jī)制。由于Inconel 718材料高溫強(qiáng)度高，塑性變形大，加工硬化嚴(yán)重，切削力和切削溫度均很高。當(dāng)切削溫度小于900℃時，刀具前刀面以粘結(jié)磨損為主；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時，Ni就開始向刀具中心擴(kuò)散。由于Ni的擴(kuò)散，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低；另一方面使刀具與工件的親和性增加，粘結(jié)磨損增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時必須使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。 1@ina`!1O  
HqgH\  
Casto等人通過研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040材料得出結(jié)論：刀具的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時，刀具表面存在嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面和后刀面的磨損機(jī)理不同�；瘜W(xué)反應(yīng)及塑性變形是前刀面磨損的主要原因，后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致陶瓷顆粒脫落所致。Brandt發(fā)現(xiàn)了Al2O3基陶瓷刀具切削時表層的塑性變形現(xiàn)象，并認(rèn)為這是由于Al2O3與FeO（鋼表面氧化產(chǎn)物）或MgO（陶瓷添加劑）反應(yīng)形成了尖晶石結(jié)構(gòu)，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用形成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。作者的研究表明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，隨著TiB2含量的增加，刀具的耐磨性能增強(qiáng)。 u>eu47"n!  
@X#m]ou  
對于晶須增韌陶瓷刀具，由于晶須在熱壓過程中定向分布于垂直熱壓軸平面，造成晶須在不同表面上的分布差異，因此晶須增韌陶瓷刀具的耐磨性能與晶須的取向有關(guān)，θ=0°表面的耐磨性能最差，而θ=90°表面的耐磨性能最好。當(dāng)?shù)毒咭院蟮睹婺�損為主時，應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具后刀面；當(dāng)?shù)毒咭郧暗睹婺�損為主時，則應(yīng)選擇θ=90°表面作為刀具前刀面。當(dāng)?shù)毒咔啊⒑蟮睹嫱瑫r存在較大磨損時，應(yīng)選擇θ=45°表面作為刀具的前（后）刀面，以提高刀具的抗磨損能力。 HlO+^(eX  
ALv\"uUNu+  
Si3N4基陶瓷自七十年代后期開始作為刀具材料使用，目前已在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時主要發(fā)生磨料磨損，而在高速切削碳鋼時主要發(fā)生化學(xué)磨損。化學(xué)磨損本身在陶瓷刀具的總磨損量中所占比例一般并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加劇，如化學(xué)溶解及擴(kuò)散作用會引起陶瓷表面強(qiáng)度減弱，加劇刀具與工件間的粘結(jié)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和微觀斷裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時，其磨損率比切削灰鑄鐵時高出兩個數(shù)量級；切削鑄鐵時工件與刀具之間的Fe、Si等元素的相互擴(kuò)散作用比切削鋼時小得多。切削鋼時，Si3N4陶瓷刀具的磨損主要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，由于Si3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時的高磨損率主要?dú)w因于以下兩種因素：①Si3N4氧化而在刀具表面形成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件表面的FeO形成低熔點(diǎn)共晶混合物。有人對Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學(xué)作用進(jìn)行過專門研究，結(jié)果表明：在高溫下β′-Sialon 顆粒與鐵基合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅和氮在鐵基合金中發(fā)生溶解和擴(kuò)散。鋼中的合金元素對Sialon與鋼之間的反應(yīng)活性有一定影響，鎳、硅、碳、磷等元素可降低反應(yīng)活性，而鉻、鉬、鈦、釩等元素則會增大反應(yīng)活性。 LiRY-;8=  
w7C=R8^  
雖然陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，但決定陶瓷刀具磨損特性的主要因素仍是陶瓷材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)。陶瓷刀具磨損的基本現(xiàn)象是材料的斷裂及轉(zhuǎn)移，因此裂紋的形成與擴(kuò)展將對磨損產(chǎn)生重要影響。陶瓷刀具材料多為復(fù)相陶瓷，在晶界處存在玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別。晶界氣孔的存在會導(dǎo)致應(yīng)力集中，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，并且由于氣孔主要在晶界上產(chǎn)生，裂紋擴(kuò)展至氣孔時與氣孔連接，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。Rice等人的研究表明：氣孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨性能大大降低，彈性模量與熱脹失配所產(chǎn)生的過大殘余應(yīng)力會導(dǎo)致材料在未受外載時就產(chǎn)生開裂。由于多晶陶瓷所加的添加劑在燒結(jié)過程中主要以玻璃相形式存在于晶界上，在高速切削產(chǎn)生的高溫條件下，玻璃相粘度降低而發(fā)生塑性流動，導(dǎo)致晶界滑移，并在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果應(yīng)力集中使得相鄰晶粒完全塑性變形，則會使應(yīng)力松弛，如果不能與鄰近晶界變形相適應(yīng)，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋成核后，隨著晶界滑移程度的不斷增加，將會引起裂紋產(chǎn)生。陶瓷刀具材料晶體中的大量位錯為裂紋成核提供了另一種方式，隨著磨損過程的不斷進(jìn)行，位錯不斷增殖，在晶界處就會形成更多因位錯而產(chǎn)生的微裂紋，這些裂紋相接就會形成連續(xù)裂紋，從而導(dǎo)致陶瓷刀具耐磨性能下降。 v+OVZDf  
oHYD6qJX{  
3．陶瓷刀具切削加工時的潤滑 HI?>]zz|  
/?GBp[(0  
對于陶瓷刀具在切削加工中是否需要潤滑目前看法尚不統(tǒng)一。有些學(xué)者認(rèn)為，陶瓷刀具具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐高溫等特點(diǎn)，且抗熱震性較差，對熱應(yīng)力很敏感，不適當(dāng)?shù)睦鋮s作用會使刀具產(chǎn)生熱裂紋而發(fā)生破損，因此陶瓷刀具切削加工時不需冷卻和潤滑即可滿足使用要求。但也有不少研究者認(rèn)為，陶瓷刀具在加工某些難加工材料時（如用晶須增韌陶瓷刀具加工鎳基高溫合金），必須充分使用切削液（含氯化石蠟的切削液效果更好）。采用適當(dāng)?shù)睦鋮s和潤滑對減小陶瓷刀具磨損、延長其使用壽命十分有益。
B8&@Qc@~  
$X?V_K;9/  
Tonshoff等人研究了Al2O3/TiC陶瓷刀具車削淬硬鋼時潤滑劑的作用，切削試驗(yàn)分別在干切削和不同潤滑劑潤滑條件下進(jìn)行。結(jié)果表明：刀具的磨損、已加工表面質(zhì)量以及切屑的形成均受到潤滑劑的影響。與干切削相比，采用潤滑劑的刀具壽命延長，工件已加工表面質(zhì)量顯著提高。這主要是因?yàn)闈櫥瑒┲械臉O壓添加劑在切削條件下與工件表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)而形成了化學(xué)吸附膜。通過對潤滑切削條件下的工件表面進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)eS和FePO4等成分的極壓潤滑膜，正是這種極壓潤滑膜降低了切削摩擦力，抑制了粘結(jié)的發(fā)生，從而減小了刀具磨損。 |j+~Td3})&  
zk]~cG5dT/  
Cheryl對Si3N4 / TiC 陶瓷材料在900℃高溫下的摩擦磨損試驗(yàn)研究表明：Si3N4和TiC在高溫下發(fā)生氧化，在摩擦表面生成含Si和Ti的氧化物保護(hù)膜，可顯著降低摩擦系數(shù)，并有利于提高材料的耐磨性能。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具進(jìn)行鎳基合金的切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干切削條件下刀具失效的主要原因是嚴(yán)重的前刀面磨損及切屑在刀具上的粘結(jié)，而使用切削潤滑劑改善了刀具的切削性能，提高了切削效率和加工件的表面質(zhì)量。有人曾對多種潤滑劑、添加劑對陶瓷—金屬摩擦副的潤滑作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)油基切削液比水基切削液更為有效。如使用含二烷基二硫化磷酸鋅（ZDDP）的潤滑油進(jìn)行潤滑，Si3N4陶瓷刀具切削45鋼時的磨損率與干切削相比可減小兩個數(shù)量級，切削不銹鋼時的磨損率比干切削時可減小一個數(shù)量級。表面分析發(fā)現(xiàn)，Si3N4及工件的磨損表面上有ZnO、FeS、FePO4等摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物生成。 e'6?iLpy  
:Ls36E8f=  
作者曾對Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：該陶瓷刀具高速干切削時具有自潤滑功能。當(dāng)切削速度較低時，切削溫度也較低，刀具的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損與粘結(jié)磨損；當(dāng)切削速度很高時，刀具表面平均切削溫度較高，實(shí)際瞬時最高溫度大于平均溫度，切削后刀具磨損區(qū)的XRD譜圖中出現(xiàn)了TiO2衍射峰，這表明TiB2在切削高溫的作用下發(fā)生了氧化。TiB2的氧化物TiO2能在切屑與刀具前刀面之間起到固體潤滑劑的作用，進(jìn)而可減小切削力和前刀面的平均摩擦系數(shù)μ，并能減輕刀具的粘結(jié)磨損，提高刀具的耐磨性能。 L_~G`Rb3  
c~ SI"  
4．陶瓷刀具與加工對象的匹配 3LmHH =  
5Zov<+kE  
每一種陶瓷刀具都有其特定的加工范圍，不同的陶瓷刀具（或同種陶瓷刀具）在加工不同工件材料時其磨損形態(tài)和刀具壽命有很大差別。因此，每一種陶瓷刀具都有其最佳加工對象，即存在陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題。 Wama>dy%  
c1^3lgPv  
Al2O3基陶瓷刀具中含有鋁元素，因此Al2O3基陶瓷刀具在加工鋁及鋁合金時存在較大親和力，刀具會產(chǎn)生較大的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中含有鋁及鈦元素，用此類陶瓷刀具加工鈦及鈦合金、鋁及鋁合金時也存在較大親和力，因此它們都不適合加工鋁、鈦及其合金。純鐵與Al2O3刀具之間的粘結(jié)傾向比鋼和鑄鐵更大，純Al2O3陶瓷刀具在切削純鐵時約在500℃就開始粘結(jié)，與其它超硬刀具（如金剛石、立方氮化硼刀具）相比，Al2O3刀具與鐵之間的擴(kuò)散作用最小。 Yem
\`; *  
pIXQ/(h31  
SiC顆�；騍iC晶須增韌的Al2O3刀具在加工鎳基合金時表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但在加工鋼時，因Fe容易與SiC發(fā)生反應(yīng)而使刀具材料急劇磨損。用含有SiC的陶瓷刀具加工淬硬鋼時，在切削高溫作用下，SiC很容易與工件中的Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式為 "duJl-  
A
3n"zxU  
4Fe+SiC→FeSi+Fe3C 9Dl \S